Działanie i elementy monitora CRT

Obraz widziany na ekranie monitora tworzony jest z punktów zwanych pikselami. Piksele tworzące obraz ułożone są na ekranie w wiersze i kolumny, co widać na rysunku 1. Liczba pikseli w wierszu i w kolumnie stanowi o parametrze obrazu zwanym rozdzielczością. Przykładowo obraz na rysunku 1 ma rozdzielczość 20x15. Im większa rozdzielczość, tym lepsza jakość obrazu, tym więcej szczegółów obrazu uda się odtworzyć na ekranie. Przy odpowiednio blisko położonych pikselach, ze względu na własności oka, będziemy odnosić wrażenie, że obraz jest gładki.

Rys. 1 Zasada powstawania obrazu na ekranie

W przypadku wyświetlania obrazów kolorowych wykorzystuje się własności oka sumowania i odejmowania kolorów. Dowolny kolor możemy uzyskać, mieszając w określonych proporcjach trzy kolory: czerwony (ang. red), zielony (ang. greeń) i nie­bieski (ang. blue). Kolory czerwony i niebieski są kolorami podstawowymi, zielony zaś stanowi mieszaninę niebieskiego i żółtego. Taki system wyświetlania kolorów określany jest skrótem RGB. Obraz kolorowy jest więc konstruowany z trzech subpikseli: czerwonego, zielonego i niebieskiego, tworzących jeden piksel.

Rys. 2 Sposób konstruowania obrazu kolorowego metodą RGB

Głównym elementem każdego monitora ekranowego jest lampa obrazowa (kineskop). Zasada działania kineskopu w monitorze jest taka sama jak w odbiorniku telewizyjnym (rysunek 3). Katoda ogrzana za pomocą grzejnika emituje elektrony, przyspieszane przez anodę (do której doprowadzono naplecie kilku, kilkunastu kilowoltów) w kierunku luminoforu (substancji, świecącej pod wpływem uderzeń elektronów). Specjalne elektrody ogniskują­ce tworzą z nich cienki strumień, który na ekranie wytwarza mały świecący punkt. Za pomo­cą innej elektrody, tzw. siatki sterującej, można regulować jasność tego punktu.

Umieszczone na zewnątrz kineskopu dwa zespoły elektromagnesów, zwane cewkami odchylania poziomego i pionowego sterują ruchem strumienia elektronów (dzięki płynącemu przez nie prądowi o piłokształtnym przebiegu), zapisując linia po linii cały ekran. Obraz telewizyjny tworzony jest więc z poziomych linii, rysowanych na ekranie od strony lewej do prawej. Niewidoczny jest tylko krótkotrwały powrót ze strony prawej na lewą. Linie rysowane są kolejno po sobie poczynając od góry ekranu. Po narysowaniu ostatniej linii, strumień elektronów jest zawracany z prawego dolnego do lewego górnego rogu ekranu.

Generatory odchylania synchronizowane są impulsami synchronizacji poziomej (HS) i pionowej (VS), wytwarzanymi przez sterowniki monitorów (karty graficzne).

Układ wysokiego napięcia powoduje przyspieszenie strumienia elektronów, jeśli pod­czas przebiegu plamki przez powierzchnię ekranu, zostanie przerwany lub zmniejszony strumień elektronów, wówczas na ekranie w tym miejscu pojawi się ciemny punkt lub punkt o słabszym świeceniu (jaskrawości). Przerwanie dopływu elektronów uzyskuje się, dzięki podaniu niskiego potencjału na siatkę sterującą względem katody (lub wysokiego potencjału na katodę, względem siatki sterującej). Przerywając dopływ elektronów w odpowiednich położeniach strumienia, można na ekranie uzyskać dowolny obraz. Poprzez płynną zmianę (potencjometrem) potencjału siatki sterującej, można uzyskać różne poziomy jaskrawości ekranu.

W kineskopach kolorowych występują trzy katody. Każda z nich odpowiada jednemu z trzech podstawowych kolorów: czerwonemu (red), zielonemu (green) i niebieskiemu (blue), z których otrzymuje się wszystkie barwy pośrednie w wyniku addytywnego mieszania. Luminofor, pokrywający od wewnątrz ekran, wykonany jest z leżących blisko siebie plamek, zawierających substancje świecące na czerwono, zielono i na niebiesko. Trzy strumienie muszą przejść przez tzw. maskę, umieszczoną tuż przed luminoforem i ustawioną tak, by elektrony pochodzące z katody "niebieskiej" padały dokładnie na plamkę z luminoforem świecącym na niebiesko. To samo dotyczy punktów czerwonych i zielonych. Sterowanie jasnością świecenia odbywa się oddzielnie dla każdej katody. Dla każdego koloru podstawo­wego potrzebny jest oddzielny wzmacniacz wizji.

Każdy z trzech cyfrowych sygnałów RGB, wytwarzanych przez układ sterowania mo­nitora (tzw. sterownik monitora), może przyjmować dwie wartości: "0" i "1" logiczne. „Zero" powoduje wygaszenie strumienia - brak świecenia, „jedynka" - świecenie plamki. Jeśli więc na wejście RGB zostanie podana kombinacja 100 - plamka będzie świecić na czerwono, przy RGB - 110 - na brązowo, Trzybitowa kombinacja RGB pozwoli więc uzyskać na ekranie jedynie osiem kolorów: czarny - (000), niebieski - (001), zielony - (010), cyjan - (011), czerwony - (100), purpurowy - (101), brązowy - (110), biały - (111).

Rys. 3 Zasada działania kolorowego monitora ekranowego

Starsze typy sterowników wytwarzały jeszcze czwarty sygnał sterujący monitorem kolorowym - sygnał rozjaśnienia I (ang. Intensity), który powodował wzrost wzmocnienia wzmacniaczy wizji, co objawiało się na ekranie jaśniejszymi kolorami podstawowymi. Czterobitowa kombinacja IRGB pozwalała więc uzyskać na ekranie obraz w 16 kolorach i to był kres możliwości sterowników graficznych (jeśli chodzi o liczbę kolorów) przy sterowaniu cyfrowym (tzn. zero-jedynkowym) IRGB. Dopiero sygnały analogowe (tzn takie, które mogą przyjmować wartości pośrednie pomiędzy zerem a jedynką) na wejściach RGB pozwoliły uzyskać zdecydowanie większą liczbę kolorów.

Kilka najważniejszych parametrów monitorów to:

Przekątna ekranu (podawana w calach). Monitory CRT mają stały stosunek szerokości do wysokości obrazu, wynoszący 4:3, dlatego do określenia wielkości monitora wystarcza podanie wielkości jego przekątnej. Niestety nie jest to wiel­kość obrazu, który widzimy na ekranie, lecz jego zewnętrzne wymiary. Wielkość widocznego obrazu jest mniejsza.

Maksymalna rozdzielczość. Maksymalna liczba pikseli w poziomie i w pionie, którą jest w stanie wyświetlić dany monitor.

Częstotliwość odświeżania. Częstotliwość, z jaką jest rysowany na ekranie monitora pełny obraz. Częstotliwość odświeżania 75 Hz (herców) oznacza więc, że pełny obraz jest rysowany na ekranie monitora 75 razy na sekundę. Parametr ten decyduje o komforcie pracy z monitorem. Zbyt niska częstotliwość odświe­żania powoduje, że obraz zaczyna migotać, co z kolei powoduje na przykład zmęczenie oczu czy też bóle głowy.

Wielkość plamki. Jest określana jako odległość pomiędzy dwoma subpikselami tego samego koloru. Dokładna definicja różni się nieco w zależności od wersji technologicznej wykonania kineskopu.

Pozioma częstotliwość odchylania: jest to liczba linii kreślonych przez strumień elektronów w ciągu sekundy, leży zwykle pomiędzy 15-64KHz, czyli kilkadziesiąt tysięcy linii na sekundę. Liczba ta zależna jest od liczby obrazów w ciągu sekundy i rozdzielczości obrazu. Jeśli mamy 70 obrazów na sekundę i 480 linii to częstość wynosić będzie około 70×480=33600 Hz, tj. około 35 KHz, po doliczeniu kilku procent na krawędzie ekranu.

Przeplot (interlacing) oznacza, że pozornie wyświetla się dwa razy więcej obrazów pomimo niskiej poziomej częstości odchylania, np. przy rozdzielczości 800×600 punktów używa się częstości rzędu 30 KHz, wystarczającej do wyświetlenia zaledwie 30 obrazów w ciągu sekundy, ale wyświetlając na zmianę linie parzyste i nieparzyste osiąga się 60 obrazów.

Wielkość plamki (dot pitch lub stripe pitch) to odległość pomiędzy dwoma różnymi plamkami tego samego koloru. Im mniejsza wielkość plamki tym wyraźniejszy obraz dobre monitory maja plamki wielkości 0.26-0.28 mm a najlepsze rzędu 0.25. Wysokiej jakości ekrany LCD dysponują plamka o rozmiarach 0.20 mm.

Mody graficzne: od CGA do 8514, określają rozdzielczość i liczbę kolorów. Nowsze monitory maja przełącznik pozwalający na szybka zmianę barwy, w zależności od oświetlenia zewnętrznego. Dla zwykłej żarówki odpowiednia jest temperatura kolorów (liczona dla koloru białego) 6500° Kelwina a dla oświetlenia fluorescencyjnego 9300° Kelwina (barwa ekranu bardziej zbliżona do światła neonówki).

Typ: TTL, EGA-kolor, VGA-mono, VGA-kolor, Multisync.

Akronim A/G pojawiający się w parametrach dobrych monitorów pochodzi od Anti-Glare, czyli niebłyszczący. Niektóre firmy maja własne nazwy na technologie redukującą błyszczenie ekranu, np. firma NEC nazywa ja OptiClear a inne firmy określają jako silica. Starsza technologia wprowadzona w tym samym celu jest etching, czyli wytrawianie powierzchni; powoduje to zmniejszenie błyszczenia ekranu ale pogarsza ostrość obrazu. Akronim A/R oznacza technologie zapobiegającą powstawaniu refleksów zewnętrznego światła, czyli Anti-Reflection. Antystatyczna powłoka na ekranie oznaczana jest akronimem A/S (Anti-Static). Niektóre monitory maja możliwość demagnetyzacji (degaussing) maski kineskopu, co zapobiega drobnym zniekształceniom.

Na monitorach często obserwować można drobne, falujące prążki interferencyjne Moire'a. Tylko nieliczne monitory posiadają układy zapobiegające efektom tego typu. Opracowana w Szwecji norma MPR II określa dopuszczalny poziom promieniowania elektromagnetycznego oraz pola elektrostatycznego i magnetycznego dla różnych częstości. Jeszcze ostrzejsze wymogi bezpieczeństwa stawia inny szwedzki standard, TCO-92. Systemy regulacji monitorów pracują zgodnie ze standardem ISO 9421, określającym takie parametry jak dopuszczalna niestabilność obrazu czy poziom migotania. Normalizacji doczekał się również system zarządzania poborem mocy przez monitor. VESA DPMS (VESA Display Power Management System) zakłada, że monitor, do którego nie dociera przez ustalona liczbę minut żadna zmiana sygnału powinien się sam wyłączyć redukując pobierana moc do 1.5 Wata. Inny m standardem regulującym poziom mocy przez monitor jest EPA (Energy Star).

Kineskopy wysokiej jakości maja wyrafinowane ekrany, a szczególnie maskownice nałożone na luminofor. Standardowa maskownica typu shadow ma niewielkie otworki i na skutek przegrzewania się ulega drobnym odkształceniom (zjawisko to nazywa się fachowo doming) prowadzącym do zniekształceni obrazu. Maskownica aperturowa składa się z cienkich, pionowych pasków i jest bardziej odporna na zniekształcenia.

Bardzo dobre maskownice wykonuje się z materiału o nazwie invar. Niektóre monitory maja wyrafinowane układy cyfrowe do usuwania takich i wielu innych zniekształceń. Kalibracja kolorów możliwa jest z grubsza przez regulacje ich „temperatury”, techniki RGB cutoff i RGB gain, ale dla przeciętnego użytkownika są to sprawy zbyt techniczne by się nimi zajmować. Bardzo dobre kineskopy, zwane pod firmowa nazwa Trinitron, produkuje Sony.

K. Wojtuszkiewicz. Urządzenia techniki komputerowej. MIKOM Wydawnictwo Naukowe PWN W-wa 2007 str. 21

K. Wojtuszkiewicz. Urządzenia techniki komputerowej. MIKOM Wydawnictwo Naukowe PWN W-wa 2007 str. 22

Z. Kolan. „Urządzenia Techniki Komputerowej”. CWK Wrocław. str. 118

-1-

---